隧道及地下工程“眼睛法”施工工法

隧道及地下工程“眼镜法”施工工法

（TLEJGF-91-12）

前言

隧道和地下工程常用的钻爆施工方法,有全断面一次开挖法、全断面分部开挖法和先拱后墙法三大类。“眼镜法”是分部开挖法的一种,这种施工方法是:先在隧洞两侧各开挖一个导坑,并施作初期支护形成封闭环,然后进行拱部环形开挖与支护,接着开挖中间核心土,最后进行全断面一次模筑混凝土衬砌。由于该法采用分部开挖,分部封闭,自下而上地完成开挖、支护和衬砌,减少了对围岩的扰动,使围岩的变形得到有效控制。

我局与铁道部第三勘测设计院合作,在大秦铁路西坪隧道第四系中更新统沉积的老黄土并夹有碎石土和卵石土层E类围岩中,完成了“眼镜法,,设计与施工技术的研究试验,取得了成功经验。1987年“眼镜法,,通过了技术鉴定,并于同年获铁道部工程指挥部科技成果特等奖,1988年获铁道部科技进步三等奖,1990年被建设部评为全国施工新技术优秀项目。该施工法在大秦铁路二期工程景忠山隧道得到推广应用。目前,“眼镜法"在北京西单地铁车站浅埋暗挖法施工中,又得到进一步发展,逐步形成本工法。

一、工法特点

“眼镜法,,工法与传统的双侧壁导坑法相比,区别在于:“眼镜法,,引进了新奥法的基本原

理,采用格栅拱网喷混凝土柔性支护作为主要支护手段,以维护和利用围岩的自承能力,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过围岩和支护的量测监控来指导施工;而传统的双侧壁导坑法则是以散粒体的松散压力概念为基础,采用强大支撑,不考虑围岩的自承能力,也没有采用系统量测监控等信息化施工管理手段。

工程实践表明,本工法具有以下主要特点:

1.能有效地控制围岩变形和地表下沉量。由于采取分部开挖、分部支护封闭,支护体系能及时、充分地发挥作用,减少对围岩的扰动,使围岩的变形和地表下沉量得到控制。

2.作业安全可靠。本工法充分利用中间核心土的支撑作用,以格栅网喷混凝土为支护手段,自下而上逐步完成开挖、支护和衬砌作业,使拱部开挖后的支护结构坐落在坚固结实的基础上,没有下沉塌落之虞,从而提高了施工的安全度。

3.格栅支撑与挂网、喷混凝土相结合的柔性支护,能很好地适应围岩的变化,而且支护刚度能随喷混凝土强度的增长而增大,使支护结构与围岩形成一个整体,充分发挥围岩自身的承载能力。

4.应用量测监控等信息化管理方法作为指导设计施工、确定工艺参数的依据,通过信息反馈,使整个施工过程处于受控状态。

5.施工作业简便,不需要专用机械设备,适合我国国情,容易推广使用。

6.超前开挖的双侧导坑,还可起到预报地质的作用。

二、适用范围

本工法适用于I、Ⅱ类围岩无水(或少水)的各种软弱土质、砂质、膨胀性土等隧道和地下洞室的施工,对于浅埋、大跨度的松软围岩以及地表下沉量要求严格的隧道和地下工程尤为适用。

三、施工工艺

(一)工艺原理

“眼镜法"是以新奥法的基本原理为依据,在开挖导坑时尽量减少对围岩的扰动;导坑的断面形状近似椭圆,周边轮廓圆顺,以避免应力集中;初期支护采用格栅支撑与挂网铺喷混凝土相结合的柔性支护体系,并及时施作,使断面及早闭合,以充分利用围岩自身的承载能力,控制围岩的变形;建立一整套围岩支护结构监控量测系统,进行信息化施工管理,随时掌握施工过程中的动态变化,合理安排、调整施工工艺和设计参数,确保施工安全。

(二〉施工程序(见图1)

1.先开挖两个侧壁导坑,每个导坑分上、下两层,并施喷一次早强混凝土(厚度5-7cm);

2.安设导坑格栅支撑,上部打入局部铺杆,挂网施喷二次混凝土(厚度13-15cm),使导坑支护封闭;

3.人工开挖环形拱部,并施喷一次旱强混凝土(厚度5-7cm);

4.安设拱部格栅支撑(下部与侧壁导坑格栅连接),挂网喷二次混凝土(厚度18-20cm〉;

5.用反铲开挖核心土部分;

6.用风镐拆除导坑内侧的临时支护;

7.开挖隧道底部,灌筑仰拱;

8.立衬砌模板,灌筑二次衬砌〈墙拱一次完成〉。

〈三)施工方法与作业要点

本工法的关键施工技术有以下三个方面:一是保持合理的分部开挖断面和平顺的开挖轮廓线,减少对围岩的扰动;二是及时施作符合质量要求的初期支护,并使开挖断面尽早闭合,控制围岩变形,三是加强对围岩和支护结构的监控量测,进行信息化施工管理(见图2)。

1.侧壁导坑开挖

侧壁导坑的开挖尺寸,宽度取4-4.2m,高度取6.5m左右(铁路双线隧道边墙底至起拱线高度)为宜,分上下两层开挖,这样既不需要工作平台,人工架设格栅支撑也比较方便。上、下层错开长度4-6m,两侧导坑前后错开8-10m,每次掘进0.4-1.0m为宜。

2.侧壁导坑的初期支护(见图3)侧壁导坑开挖后,应立即喷一层5-7cm厚的早强混凝土,随后人工安设格栅支撑,在导坑上部外侧打入局部铺杆,内侧布置系统锚杆,并挂网再喷一层早强混凝土,最后喷射普通混凝土,将格栅支撑全部喷满。

格栅支撑断面选用梯形,主筋为4根φ22的螺纹钢筋(主筋中至中距离18cm),连接主筋的钢

筋为φ12圆筋,箍筋为φ6圆筋。导坑的每榀格栅由4段(内外侧各2段)组成,采用法兰盘连接。格

栅支撑纵向间距视情况选用0.4-1.0m,各榀之间用φ22螺纹钢筋连接。锚杆选用φ22螺纹钢筋,长度为1.4-1.6m,纵向间距0.5-0.7m,横向间距1m。钢筋网一般采用φ6钢筋,网格尺寸为20cm×20cm

3.拱部环形开挖与初期支护

一般采用人工开挖方法,从拱部中间向两边扩挖。对于特别松散、自稳时间很短的围岩,应事先采取打入超前小钢管,必要时进行预注浆等辅助施工措施,以稳定开挖工作面。开挖中要挖一段喷一段,第一遍施喷一层5-7cm的早强混凝土,及时封闭开挖面。每次开挖进尺为0.4-1.0m,不宜过长,台阶长度也不宜过长,双线铁路隧道一般为1倍洞跨,以便翻碴.

拱部的初基支护体系基本同侧壁导坑,格栅支撑由三段组成,采用4根φ25螺纹主筋组成梯形断面,各段之间均用法兰盘连接.与侧壁导坑的初期支护所不同的,一是拱部一般不设锚杆,二是喷混凝土层的厚度加大到25cm(见"眼镜法"支护参数比较表).

四、机具设备(单口作业)

1.施工通风及照明

通风机:1-3台

变压器:1台

2.开挖

压风机:2台

风镐:4台

挖掘机:1台

装载机(950B):1台

自卸运输汽车:3-5辆

两轮手推车:5-10辆

3.初期支护

钢筋切断机:1台

钢筋折弯机:1台

电焊机:1台

钻床:1台

喷射混凝土机:2台

强制式搅拌机(400L):1台

风动凿岩机:2台

铺杆注浆器:2台4.衬砌

混凝土搅拌机(400L):2台

小型运输车：2-4台

插入式震捣器:4-6台

5.量测及测量仪器

球铰式收敛仪:1台

静动态电阻应变仪：1台

频率仪:1台

经纬仪:1台

水平仪:1台

6.高压风管、水管、通风管、照明灯具的规格和数量,应根据隧道长度、设计风水压力、光照度等参数来确定。

五、劳力组织(单口作业)

1.开挖

风镐手(兼风枪钻锚杆眼)3-4人,装碴4-6人,出碴2-4人,质检及记录各1人,合计11-16人。

2.初期支护

格栅支撑制作；4人(安装与拆除由开挖工班负责〉。

锚喷:锚杆安装2人,混凝土喷射手1-2人,混凝土供料3-4人,搅拌机司机1人,质检、记录各1人,合计9-11人。

挂网(需要时):4人。

以上合计17-19人。

3.衬砌

立模6-8人,混凝土供料4-6人,成品混凝土运输4-6人,混凝土灌注6-10人,合计20-30人。另配备搅拌机司机2人,质检、记录各1人。

4.测量及量测

测量放样3-4人,量测5人〈其中专职安全员1人)。

5.其他人员

压风机司机1人,电工2人,管道工2人,试验员2人,调度及管理人员4-6人。

六、质量标准及控制

(一)支护质量检验

初期支护质量的好坏是本工法成败的关键之一,尤其在围岩条件特别差时,早期喷射混凝土的质量至关重要。

喷射混凝土的设计标号应不低于C18级,其设计强度和弹性模量应符合《铺杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86一85)的规定。采用ZP型早强喷射混凝土时,其初期强度应符合《铁路隧道新奥法指南》表3.4.3规定的要求。施工时要按《铁路隧道锚杆喷射混凝土支护设计施工技术规则》规定进行试块抗压强度试

验。喷射混凝土的厚度,采用预埋钢筋头、设置量测标志进行检查,并实行验收制度,不合格时立即补喷。格栅支撑是柔性结构,除了严格按设汁下料、组焊和安装外,还必须用混凝土将其喷满喷实,这种全混凝土的格栅支撑刚度比无混凝土的格栅支撑大100%-160%。现场可用肉眼观察和锤击法进行检查,发现有空鼓不实之处,应凿开补喷。

(二)现场监控量测

量测的主要目的,在于掌握围岩和支护的动态,判断支护的可靠性,以保证施工安全和围岩的稳定。

监控量测有必测项目和选测项目。必测项目有:

1.地质和支护状况观察;

2.周边位移量测;

3.拱顶下沉量测;

4.地表下沉量测。

选测项目有:

1.格栅支撑主筋内力、应变量测;

2.围岩内应力量测;

3.围岩与初期支护间的接触应力量测。

必测项目的量测断面间隔一般为20-30m,在围岩特别差的地段,可缩短至10-15m。

量测的频率、使用的工具和量测方法参照《铁路隧道新奥法指南》选用。

将实测的位移值所建立的位移一时间曲线和监控基准值相比较,即可判别围岩和支护的稳定情况。以大秦线西坪隧道Ⅱ类围岩段(老黄土、碎石士及卵石土)为例,当其拱顶下沉量<5mm/d时,认为是正常的;拱顶下沉量为510mm/d且位移变化速度无明显下降时,应加强监视,并适当加强支护;拱顶下沉量>10mm/d且位移变化速度急剧增长时,则为危险状态,应立即停止开挖,进行处理(改变施工方法或设计参数)。

七、施工安全措施

本工法除应遵照《铁路隧道施工安全规则》及相应的规范外,为确保安全,还应采取以下措施。

1.进行全员安全意识教育;

2.针对“眼镜法,,施工特点,参照有关安全规则制订安全规章制度;

3.提高量测人员的安全技术素质,完善其岗位职责;

4.开挖的各分部在完成规定的进尺后,必须立即架设格栅支撑,并喷5-7cm厚的早强混凝土,以减小围岩

的松弛变形;

5.下部开挖必须在邻近作业面的初期支护具有一定强度后实施;

6.开挖台阶不宜太长,应以能尽早使初期支护闭合而不造成两部施工干扰为原则,来确定台阶长度;

7.局部松散破碎地段,应根据量测信息,适时用早强混凝土封闭掌子面,或采用超前支护。

8.加强对围岩和支护的动态监测,进行信息化管理。根据量测数据,结合观察报告,正确分析围岩和支护的稳定性,并采用正确的对策,科学地组织施工,确保安全;

9.利用超前导坑,加强地质分析及预报工作。

八、综合效益分析

1.本工法为较软弱土层和特殊地层的隧道及地下工程施工提供了新的途径。

2.技术可靠,施工安全度大。一是充分发挥核心土的支撑作用;二是多部开挖减少了对围岩的扰动,提高了其自稳性能;三是柔性支护能适应围岩变形,部分地发挥地层自承拱作用;四是直观,量测位移能敏感地反映围岩及初期支护的稳定性。以大秦线西坪隧道为例,应用此法施工安全稳妥,在历时两年的洞内施工帘,没有发生伤亡事故。

3.通过调整施工程序、节奏和初期支护刚度的途径,可以有效地控制围岩的松弛变形和地表沉陷,从而对于地F浅埋工程施工,保证地面建筑和公共设施的安全,均具有重大的意义。

4.工程质量好。采用短进尺的多部开挖方法,使毛洞开挖成型好,并减少了超欠挖;以格栅为主的初期支护体系性能稳定可靠;内层衬砌质量与传统的施工方法相比,整体性强,质量好。

5.经济效益明显。以大秦铁路西坪隧道为例,与同样地质条件下的管棚法相比,本工法每双米延米可节约水泥10t,钢材331-432.7kg,综合造价降低2026元。

九、工程实例

大秦铁路西坪隧道为电气化双线铁路隧道,全长298m,洞身穿过严重风化的Ⅲ类白云岩、页岩互层,Ⅱ类膨胀性老黄土、碎(卵〉石和砂土,洞顶覆盖层厚度为3-36m,为典型的复杂地层中的浅埋大跨型隧道。此隧道于1984年9月动工,1987年10月竣工。

1984年12月,当西坪隧道采用半断面法从出口方向开挖98m时,发生大坍方,初期支护被冲垮30m,地表沉

陷为约12m直径的大漏斗,坑周土呈环状开裂,波及范围达30m。坍方体由新(老)黄土、碎(卵)石土组成,呈松散堆积状。我局与铁道部第三勘测设计院联合,共同研究开发“眼镜法"处理隧道拥方获得成功,取得直接经济效益113;.4万元。这项技术为确保施工安全和新奥法的应用与推广提供了范例。

继西坪隧道施工之后,“眼镜法"在我局施工的大秦铁路大团尖、景忠山隧道推广应用也取得了良好的效果。

1989年,“眼镜法,,在北京西单地铁车站浅埋暗挖法施工中又加以应用并发展为“双眼镜法"。北京西单地铁车站是我国第一座浅埋型大跨度双层地铁车站,也是世界上迄今所见文献资料记载结构高度和跨度最大的地铁车站。车站标准断面为三拱两柱双层拱形结构,开挖宽度26.14m、高度13.6m。该站位于繁华的西单路口和东侧的西长安街地下,地上车水马龙,人流如织,地下管网密布,地质松散,自稳能力差,覆土层厚度仅为6-7m,技术新,设计和施工难度都很大,同时工期短,标准高,攻关项目多,牵涉面广。对这样一座高难工程,北京市有关方面采取了十分慎重的态度,以向社会公开招标的形式,择优选择设汁、施工队伍,而且对这一工程提出了特殊要求,主要是:设计、施工必须做到绝对安全,稳妥可靠,万无一失;采用的技术要先进可行,方案要经济,工期要合理,沉降量最大不得超过30mm;方案要充分体现暗挖,用地拆迁少,地下管网改迁少,对环境、市容、交通干扰少的优点。我局与铁三院结成设计、施工联合体,参加了这一工程的投标争并中竞标。我们于1989年7月动工,自采用

“双眼镜法”施工后,施工进展顺利,经量测检验沉降量均小于规定值。